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Verfahren zur Herstellung eines lagerfähigen, biologisch schädlichen,
insbesondere radioaktiven Abfalls
Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Herstellung eines lagerfähigen, biologisch schädlichen,insbesondere
radioaktiven Abfalls, wobei ein Abfallgranulat mit einem verfestigbaren Bindemittel
zu einem Verbundkörper verarbeitet wird.
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Bei vielen in der Industrie und im Gewerbe anfallenden Abfällen ist
es die wirtschaftlichste Lösung diese nicht wiederaufzuarbeiten und so erneut einem
Fabrikationsprozeß zuzuführen, sondern direkt einer Lagerung zuzuführen. Diese Lagerung
von unmodifiziertem, biologisch schädlichem Abfall wird dann unbedenklich sein,
wenn keine Zersetzung desselben, keine Korrosion der Lagerbehälter, kein zu hoher
Dampfdruck und auch keine hohe Wasserlöslichkeit vorliegt. Liegt eine dieser Eigenschaften
vor, so ist eine Weiterverarbeitung des biologisch schädlichen Abfalls ratsam. Eine
besondere Art von biologisch schädlichem Abfall stellt der radioaktive Abfall dar.
Bei diesem wird zwischen nieder-, mittel- und hochaktivem Abfall unterschieden.
Neben dem radioaktiven Abfall,wie er in Industrie, Gewerbe und der Medizin anfällt,
ist auch der der Kernkraftwerke einer Lagerung zuzuführen Radioaktiver Abfall unterscheidet
sich nun hauptsächlich durch zwei Eigenschaften von anderen biologisch schädlichen
Abfällen, und zwar gibt es g ,0 und P -Strahler und er entwickelt Wärme, die an
die Umgebung abgeführt werden muß. Gemeinschaftliche Probleme sind, daß der Abfall
in eine kompakte Form übergeführt werden soll, damit dieser nichtstaubt und bei
Zerstörung des Lagerbehältersnoch in kompakter Form vorliegt und daß der Abfall
in eine Form übergeführt wird, in welcher er nicht in die Atmosphäre austreten kann
und auch nicht wasserlöslich ist. Zur Uberführung von niederaktiven Abfällen ist
es bekannt, die radioaktiven Stoffe, die in Pulverform vorliegen, in flüssigen,
härtbaren Kunststoff oder Bitumen einzurühren.
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Hierbei muß das Bindemittel mit einem Rührer eingearbeitet werden,
wobei letzterer kontaminiert wird und nach der Einbettung
einer
Reinigung unterworfen werden muß. Außerdem ist das erhaltene Produkt inhomogen und
porös, da Gaseinschlüsse vorliegen.
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Weiterhin ist es bekannt, radioaktive Stoffe in Form einer Lösung
in eine pasteuse Masse, z.B. erweichtes Bitumen mittels eines Schneckenextruders
einzuarbeiten, wobei einerseits ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich ist und
andererseits mit dem verdampfenden Lösungsmittel meist Wasser, radioaktive Stoffe
und auch Zersetzungsprodukte des Bindemittels aus dem Extruder abgeleitet und in
einem Kondensor kondensiert werden müssen. Diese Stoffe müssen sodann erneut aufgearbeitet
werden.
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Auch ist es bekannt, radioaktive Stoffe in Gläser chemisch zu binden.
Gläser sind jedoch im allgemeinen sehr spröde, so daß nur eine geringe mechanische
Festigkeit gegeben ist, die meist für eine sichere Handhabung nicht ausreicht.
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Für hochradioaktiven Abfall ist es auch bereits bekannt, diesen wie
bei Kernbrennstoffen für Hochtemperaturreaktoren üblich, mit einer Beschichtung
aus Kohlenstoff verschiedener Dichte zu umhüllen. Die innerste Schicht wird porös
gehalten, damit gegebenenfalls sich bildende Gase und Spaltprodukte aufgenommen
werden können. Die darauffolgende Schicht ist aus dichtem Kohlenstoff gebildet,
welche ein Austreten von radioaktiven Produkten an die Umwelt unterbindet. Diese
Form eines beschichteten Granulates aus radioaktivem Abfall ist für die Lagerung
besonders geeignet, da jeweils nur kleine Mengen von bioschädlichem Abfall mit einer
Beschichtung umgeben sind. Nachteilig an losen Schüttungen derartiger Abfallgranulate
ist, daß bei Zerstörung des Lagerbehälters, in dem der Abfall angeordnet ist, sich
das an sich rieselfähige Produkt im Lagerraum ausbreitet. Auch besteht der Nachteil,
daß eine nur relativ schlechte Wärmeleitung
über das den Abfall
umgebende Gas bzw. über die Berührungsstellen der Teilchen untereinander gegeben
ist.
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Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird der obenangeführte Nachteil
dadurch vermieden, daß der in Granulatform vorliegende radioaktive Abfall in einer
Matrix aus Metall eingebettet wird Ist das einzubettende Granulat spezifisch tlih
schwerer als das metallische Bindemittel so kann das Abfallgranulat in einer Form
vorgelegt werden worauf in die Form die Metallschmelze eingebracht wird. Ist das
Granulat spezifisch wesentlich leichter als das Bindemittel, so muß das Abfallgranulat
z.B. in einem Käfig in der Form festgehalten werden, worauf die Schmelze eingebracht
werden kann. Bei geringeren Unterschieden im spezifischen Gewicht wird man gegebenenfalls
durch Rühren u. dgl. für eine gute Umhüllung der Abf allteilchen mit dem Bindemittel
Sorge tragen müssen. Ungelöst bei dieser Vorgangsweise ist die Beseitigung von Gaseinschlüssen,
die insbesondere dann nicht vermeidbar sind, wenn, um zu hohe Temperaturen zu vermeiden,
das Bindemittel eine höhere Viskosität aufweist.
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Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die obenangeführten Nachteile
zu vermeiden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines lagerfähigen,
biologisch schädlichen,insbesondere radioaktiven Abfalls, wobei ein Abfallgranulat
in einer Form angeordnet wird, in die Form ein verfestigbares Bindemittel z.B. Glas,
Kunststoff, Metall od. dgl. eingebracht und verfestigt wird, wodurch ein Verbundkörper
erhalten wird, besteht im wesentlichen darin, daß das Gcmisch mit verfestigbarem
Bindemittel und Abfallgranulat zentrifugiert und dadurch verdichtet wird. Durch
diese Vorgangsweise kann obwohl üblicherweise durch Zentrifugieren eine Abtrennung
von festen Teilchen von der Flüssigkeit durchgeführt wird, ein homogener Körper
dichtester Packung erreicht werden, wobei gleichzeitig
auch gegebenenfalls
vorhandene Gasblasen, die sodann Lunker im Gußkörper verursachen würden, ausgetrieben
werden können. Je nach Viskosität des Bindemittels kann eine Variation der Winkelgeschwindigkeit
eine entsprechende Anpassung erlauben.
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Wird um eine Achse außerhalb der Form zentrifugiert, wobei die Form
annähernd radial bezogen auf die Achse angeordnet ist, so kann mit Vorrichtungen
gearbeitet werden, wie sie üblicherweise in Laboratorien zur Abtrennung von festen
Stoffen aus Suspensionen verwendet werden.
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Wird das Bindemittel ungefähr im Bereich der Achse erschmolzen, so
kann die Zufuhr des Bindemittels zum Granulat bereits durch die Wärmezufuhr für
das Schmelzen geregelt werden, womit eine besonders einfache Art und Weise der Bindemittelzuführung
zum Granulat gegeben ist.
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Wird die Verdichtung bis zum Erstarren durchgeführt, so kann sichergestellt
werden, daß eine im Verbundkörper erwünschte Struktur fixiert werden kann.
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Wird während der Verdichtung die Form temperiert, so können unterschiedlichste
Strukturen des Verbundkörpers erreicht werden. So kann beispielsweise, wenn die
Form unterhalb des Schmelzpunktes des Bindemittels gehalten wird, die Form innen
mit dem Bindemittel ausgekleidet werden, welches sofort erstarrt worauf das Abfallgranulat
und sodann das Bindemittel eingebracht werden, wobei durch Zentrifugieren eine gute
Einbettung des Abfallgranulats im Bindemittel erreicht wird und eine weitere Umhüllung
des Abfalls durch das erstarrte Bindemittel gegeben ist. Wird ein Duroplast verwendet,
so kann durch die Temperierung der Form die Aushärtung des Bindemittels während
des Zentrifugierens gesteuert werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens
besteht darin, daß dem Abfallgranulat ein spezifisch leichteres festes Bindemittel
beigegeben wird, das in der Form verflüssigt wird. Durch diese Vorgangsweise muß
kein Bindemittel während des Zentrifugierens zugeführt werden, da dieses bereits
in Form eines Gemisches aus Abfallgranulat und Bindemittel in die Form eingebracht
wird Es besteht auch nicht die Gefahr der Überfüllung der Form, da das Gemisch,
welches gaserfüllte Zwischenräume aufweist, ein größeres Volumen einnimmt als der
dann erhaltene Verbundkörper.
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Wird das Abfallgranulat während der Verdichtung durch ein für das
Bindemittel durchlässiges Element, z.B. Netz od. dgl. in der Form gehalten, so kann
auf besonders einfache Art ein spezifisch leichteres Granulat in ein spezifisch
schwereres Bindemittel eingearbeitet werden.
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Weiters kann unbhängig von der Temperatur der Form das gesamte Abfallgranulat
mit Matrixbindemittel nach außen mit einer weiteren Schichte aus Bindemittel versehen
werden.
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Im folgenden wir die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
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Beispiel 1: Zur Simulierung einer Lösung aus hochradioaktivem Abfall,
wie er bei der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen anfällt, wurde folgende wässrige
Lösung hergestellt: 1,4 Mol/l Al(N03)3 2,1 Mol/l HN03 1,6 Mol/l H3P04 20 mg/l Sr
33 mg/l Cs 31 mg/l Ru 341 mg/l Hg.
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-Diese Lösung wurde sprühgetrocknet und in einem Wirbelbett kalziniert.
Das erhaltene Granulat mit einem spezifischen Gewicht von 1,42 g/ cm wies eine Korngröße
von o,7 bis 2 mm auf.
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In einer Form, die auf 7000C in einem Ofen erwärmt wurde, die eine
zylindrischeFormhöhlung mit einem Durchmesser von 2 cm 3 und einen Rauminhalt von
1o cm aufwies, wurden 7 g des unbeschichteten Granulats vorgelegt. Das Granulat
befand sich in einem zylinderförmigen Käfig, der aus einem rostfreien Stahldrahtgitter
mit einer Maschenweite von o,63 mm aufgebaut war. Die Form wurde in eine Schleudergußanlage
ISS der Firma Leybold-Ileraeus eingesetzt, wobei die Formhöhlung im wesentlichen
radial zu liegen kam und die Mitte derselben ca. 35 cm von der Achse entfernt war.
Die For-m wurde mit einem Tiegel verbunden, in dem 18 g einer Aluminiumsiliziumlegierung
mit 3 einem spezifischen Gewicht von 2,65 g/ cm und einem Sclmelzpunkt von 577 OC
erschmolzen wurde. Der Tiegel war im Bereich der Achse angeordnet und induktiv geheizt.
Die Schmelze wurde auf ca. 750 C erwärmt, worauf mit 300 U/Min zentrifugiert wurde.
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In der Form war ein Bimetallkontakt angeordnet, welcher ober-0 halb
von 550° C einen Stromkreis schloß, wodurch ein Kühlluftstrom auf die Form gelenkt
wurde, so daß der Boden der zylindrischen Formhöhlung temperiert wurde (eine Wärmezufuhr
war durch Schmelze bedingt). Nach Abkühlen der Form auf 550° C wurde das Zentrifugieren
beendet und der Verbundkörper der Form entnommen. Dieser war lunkerfrei, völlig
homogen und wies eine äußcre Schicht aus der Aluminiumsiliziumlegierung auf, die
lediglich an den Auflagerstellen des Käfigs aus rostfreiem Stahl gebildet waren.
Die Oberfläche, die während des Gießens zur Achse zeigte, war im wesentlichen plan.
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Beispiel 2: Eine Lösung mit 120 g/ 1 Chromsulfat und 1o g/ 1 Kaliumzyanid
wurde
bis zur Trockene eingedampft und anschließend kalziniert.
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Das erhaltene Granulat wies eine Korngröße zwischen o,2 und 3 2 mm
auf und hatte ein spezifisches Gewicht von 2,8 g /cm . In eine Form mit 40 cm Durchmesser
und 1 m Höhe wurden 150 kg des Kalzinates vorgelegt. Die Form wurde sodann auf eine
heizbare Drehscheibe verbracht und dort auf 2ovo0 C erhitzt und mit 50 Umdrehungen
pro Minute um die eigene Achse gedreht. Sodann 0 wurde erschmolzencs Bitumen einer
Temperatur von 180 C solange zugefügt bis der Abfall bedeckt war. Durch das Zentrifugieren
wurde das Bitumen in die freien Hohlräume hineingepreßt, so daß nach dem Erstarren
ein lunkerfreier Körper erhalten wurde, der zur Lagerung des Abfalls hervorragend
geeignet war.
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Beispiel 3: Das nach Beispiel 1 erhaltene Granulat wurde in einer
Wirbelschicht mit Argon als Trägergas, das 4 Vol.-% Nickelkarbonyl enthält, bei
2000 C mit Nickel beschichtet. Das erhaltene Granulat wies eine Korngröße von o,7
bis 1,5 mm auf.
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3 In die Formhöhlung, gemäß Beipiel 1 wurden 5 cm des Abfallgra-3
nulats und 5 cm der Siliziumaluminiumlegierung gemäß Beispiel 1 mit einer Korngröße
von o,8 bis 1,oo mm eingebracht, wobei vor dem Einbringen gründlich durchmischt
wurde. Die Form wurde in die Schleudergußanlage gemäß Beispiel 1 eingebracht und
mit einer Widerstandsheizung auf 750° C erwärmt, wobei mit 300 U/ Min. zentrifugiert
wurde. Nach 1o Minuten wurde die Heizung unterbrochen, worauf die Form langsam während
des Zentrifugierens abkühlte. Als die Temperatur der Form 550° C betrug, wurde die
Schleudergußanlage abgestellt und der erhaltene Verbundkörper der Form entnommen.
Dieser war völlig lunkerfrei und für eine Endlagerung von hochradioaktivem Abfall
besonders geeignet, da eine doppelte Umhüllung des Abfallgranulats mit Metall gegeben
war, wobei gleichzeitig durch die besondere Verdichtung des Materials eine maximale
Wärmeleitfähigkeit gegeben war.